Gestion de La Mobilité Dans Les Réseaux Mobiles Chap 1 [PDF]

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Réseaux mobiles

Pourquoi ce cours ? Apporter les connaissances nécessaires afin de comprendre la logique d'évolution des réseaux radio-mobiles. Dresser un état des lieux du monde radio-mobile qui nous entoure. Que signifie les acronymes GSM, GPRS, EDGE, UMTS, HSPA+, LTE, WiMax, DECT, etc. ? Technologies radios, architectures et services proposés ?

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Contenu du cours

Introduction générale Réseau GSM Réseau GPRS Réseau UMTS Réseau LTE

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Chapitre 1 : Généralités sur les réseaux mobiles

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Plan

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Définitions

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Classification des réseaux mobiles

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Normalisation des réseaux mobiles

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Évolution des réseaux mobiles

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Réseaux mobiles en Tunisie

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Principes de base des réseaux mobiles

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Définitions

2

Classi cation des réseaux mobiles

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Normalisation des réseaux mobiles

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Évolution des réseaux mobiles

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Réseaux mobiles en Tunisie

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Principes de base des réseaux mobiles

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Définition

Réseau mobile : Un réseau de téléphonie mobile est un réseau téléphonique qui permet l'utilisation simultanée de millions de téléphones sans- f i l , immobiles ou en mouvement, y compris lors de déplacements à grande vitesse et sur une grande distance. Onde radio (Radio wave) : Onde électromagnétique dont la fréquence est inférieure à 300 Ghz, soit une longueur d'onde supérieure à 1 mm. Elle se propage à la vitesse de la lumière c = 3.108m/s

Norme (Standard) : Ensemble des spécifications techniques qui définissent une sorte de règles à suivre pour implémenter/utiliser un réseau. 7

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Dé nitions

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Classification des réseaux mobiles

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Normalisation des réseaux mobiles

4

Évolution des réseaux mobiles

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Réseaux mobiles en Tunisie

6

Principes de base des réseaux mobiles

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Panorama

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Classification des réseaux mobiles Cat.

Portée max.

Usages

Normes

Qcq mètres

Débit (Mbps) 1

WPAN

Réseau particulier

WLAN

500 m

> 50

WMAN

4 à 10 km

1 à 10

WWAN

Plusieurs centaines des Kms

1 à 10

Réseaux internes, propres à un bâtiment (soit comme réseau d'entreprise, soit comme réseau domestique) Ville, Campus, ... Interconnecte plusieurs WLAN Régional, National Interconnecte plusieurs villes

IEEE 802.15 (Bluetooth), NFC, ETSI HyperPan IEEE 802.11 (a,b,c,...), ETSI HyperLan

IEEE 802.16 WiMax, ETSI HyperMan 1G -> 5G

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Dé nitions

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Classi cation des réseaux mobiles

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Normalisation des réseaux mobiles

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Évolution des réseaux mobiles

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Réseaux mobiles en Tunisie

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Principes de base des réseaux mobiles

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Normalisation des réseaux mobiles

• International Telecommunications Union (ITU) : est l'agence des Nations unies pour le développement spécialisé dans les technologies de l'information et de la communication. • American National Standards Institute (ANSI): est un organisme privé à but non lucratif qui supervise le développement de normes pour les produits, les services, les procédés, les systèmes et les employés des États-Unis. • European Telecommunications Standards Institute (ETSI) : est l'organisme de normalisation européen du domaine des télécommunications. créé en 1989 pour contrebalancer l'influence du groupe de normalisation américain ANSI.

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Normalisation des réseaux mobiles • Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) : est une association professionnelle. L’IEEE est constituée d’ingénieurs électriciens, d’informaticiens, de professionnels du domaine des télécommunications, etc. L’IEEE joue un rôle très important dans l'établissement de normes. Ceci est fait par la IEEE Standards Association. Elle assure la publication de ses propres normes et des autres textes rédigés par des membres de son organisation. • 3rd Generation Partnership Project (3GPP) : est une coopération entre organismes de standardisation en télécommunications tels que : l'UIT, l’ETSI, … , qui produit et publie les spécifications techniques pour les réseaux mobiles de 3ᵉ et 4ᵉ générations. • Autres : Qualcomm, China mobile, ... 13

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Dé nitions

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Classi cation des réseaux mobiles

3

Normalisation des réseaux mobiles

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Évolution des réseaux mobiles

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Réseaux mobiles en Tunisie

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Principes de base des réseaux mobiles

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Histoire des réseaux radio-mobiles Années 80 (1G) : voix analogique Technologie analogique qui utilise une bande de fréquences non enregistrée (902-928 MHz) ce qui cause des interférences avec toutes sortes de machines. • Transmission analogique (Modulation FM + FDMA) • Occupation spectrale importante • Pas de cryptage (aucune confidentialité) • Couverture nationale (Incompatibilité des réseaux européens) • Volumineux • Qualité de services médiocre et peu de services Ex: Advanced Mobile Phone System (AMPS) en 1978 est une norme de téléphonie mobile analogique américaine de 1ʳᵉ génération. Radiocom 2000 est le réseau de téléphonie mobile français lancé en 1986 qui remplaça progressivement le réseau analogique. Il est classé dans la catégorie des mobiles de première génération.

Exemple en France: • 2 opérateurs : Radiocom2000 (France Télécom, 1986) et SFR (1987) • 1994 : 460 000 abonnés 15

Histoire des réseaux radio-mobiles

Années 90 (2G) : voix numérique et messagerie texte transmission numérique pour augmenter la capacité, améliorer la sécurité et offrir la messagerie texte (SMS). GSM en 1991 GPRS en 2000 (2,5G) et EDGE en 2001 (2,75G) : dérivées du GSM permettant un débit de données plus élevé. Compatibilité européenne Années 2000 (3G) : voix et données numériques services numériques de voix et de données à haut débit. UMTS, W-CDMA en déploiement mondial. Années 2010 (4G) : Services haut-débits LTE (Long Term Evolution)

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Évolution des réseaux mobiles

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Évolution des réseaux mobiles

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Motivations

Mobilité : Les technologies mobiles (GSM, GPRS, UMTS, WiFi, WiMax,. . . ) offrent une extrême liberté d'usage pour les utilisateurs en assurant une continuité des services à la fois performante et économique via des terminaux adaptés, fiables et relativement peu coûteux (téléphone mobile, smartphones,. . . ). Accès sans-fil à l'information Déplacement à travers le réseau (monde entier) en conservant une même adresse Diversité des services of ferts : Internet, voix, messagerie, Services vidéo, mail, chat, forums et travail collaboratif, etc.

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Enjeux économiques

Vente de terminaux mobiles évolués : 2 téléphones mobiles sur trois vendus dans le monde sont des smartphones. Vente d'applications associées (Android, Apple, Windows) : plus de 100 milliards d'applications téléchargées en 2013 : C'est la nouvelle rassemblement versl'or Nouvelles opportunités d'emploi : Demande croissante des entreprises. Définition et mise en oeuvre de leur stratégie Web et/ou mobile, Postes de Développeur Applications Mobiles

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Dé nitions

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Classi cation des réseaux mobiles

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Normalisation des réseaux mobiles

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Évolution des réseaux mobiles

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Réseaux mobiles en Tunisie

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Principes de base des réseaux mobiles

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Intervenants

Ministère des technologies de l'information et de la communications http://www.mincom.tn/index.php?id=1802&L=1

Agence Nationale des fréquences (ANF) Gestion et contrôle des Fréquences radioélectriques http://www.anf.tn/page.php?code=16&code_pere=14

Instance Nationale de télécommunications de Tunisie (INTT) Régulateur du marché de télécommunications http://www.intt.tn/fr/index- missions- 262- 328.html

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Les opérateurs de téléphonie mobile

Source: le dernier rapport de l’INT Instance Nationale des Télécommunications fin juin 2017. 23

Marché mobile en Tunisie

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Marché mobile en Tunisie

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Dé nitions

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Classi cation des réseaux mobiles

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Normalisation des réseaux mobiles

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Évolution des réseaux mobiles

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Réseaux mobiles en Tunisie

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Principes de base des réseaux mobiles

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Principe de base des réseaux cellulaires
Concept Cellulaire

Problème de base = comment :  Desservir une région de taille importante (pays, continent),  Avec une largeur de bande limitée,  Avec une densité d’usagers importante ou qui peut augmenter ? Concept cellulaire Pourquoi le recours au concept cellulaire? • Insuffisance des ressources radio Nombre de canaux limité • Les premiers réseaux mobiles se composent de quelques émetteurs qui couvrent des zones importantes et non interconnectées Communications interrompues • Déploiement à l’échelle d’un pays ou d’un continent d’un système à grande capacité 27

Principe de base des réseaux cellulaires
Concept Cellulaire

Principales fonctions d’un système cellulaire • • • •

Traitement d’appel Gestion de la localisation Maintien de la communication en cours de déplacement Authentification et sécurité des informations transmises

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Principe de base des réseaux cellulaires • • • •

•

Un système de radiotéléphonie utilise une liaison radioélectrique entre le terminal portatif et le réseau téléphonique. La ressource rare, c'est le spectre radio. Les gouvernements accordent aux opérateurs de téléphonie mobile le droit d'en utiliser une partie. C'est la rareté du spectre radio qui a conduit les opérateurs à découper le territoire en zones (cellules), de taille variable selon la densité des utilisateurs. Le téléphone mobile doit toujours être couvert par une station de base (BTS) pour avoir une liaison radio de qualité s u f f i s ante.

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Principe de base des réseaux cellulaires •

•

•

Chaque secteur géographique est découpé en petites zones appelées cellules. Cellule = la surface avec laquelle une BTS peut établir une liaison avec un téléphone mobile. Principe = diviser une région en un certain nombre de cellules desservies par une BTS de faible puissance, émettant à des fréquences différentes de celles utilisées sur les cellules voisines. Allocation des fréquences = le nombre de fréquences accordées étant restreint, l'opérateur est obligé de réutiliser les mêmes fréquences sur des cellules suffis a m m e n t éloignées de telle sorte que deux communications utilisant la même fréquence ne se brouillent pas.

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Principe de base des réseaux cellulaires •

•

•

Le modèle idéal de réseau cellulaire est un réseau hexagonal, afin que la distance entre une antenne et toutes ces voisines soit la même Chaque cellule dispose de son propre émetteur-récepteur, souvent appelé antenne, sous le contrôle d'une station de base A chaque cellule est affecté une plage de fréquences.

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Principe de base des réseaux cellulaires La taille des cellules n'est pas fixe Découpage non régulier Dépend du trafic

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Principe de base des réseaux cellulaires Allocation des fréquences: • Le nombre de fréquences accordées étant restreint, l'opérateur est obligé de réutiliser les mêmes fréquences sur des cellules suffisamment éloignées de telle sorte que deux communications utilisant la même fréquence ne se brouillent pas. • Chaque cellule a sa fréquence de communication et possède 6 voisins • Pour éviter de gaspiller les fréquences et d’interférer entre les cellules : technique SDMA Space Division Multiple Access (SDMA): Schéma d’attribution des fréquences But : Les cellules adjacentes ne doivent pas avoir la même fréquence de communication. Exemple: Motif cellulaire = 3

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Principe de base des réseaux cellulaires Allocation des fréquences: L’accès multiple

• Pour optimiser l’utilisation des fréquences, deux techniques sont mises en place:  La réutilisation des fréquences.  L’accès multiple: le multiplexage.

•

Le multiplexage consiste à combiner plusieurs signaux pour les transmettre sur un seul support.

•

Il existe plusieurs techniques d’accès: FDMA (Frequency Division Multiple Access) Accès Multiple à Répartition en Fréquence(AMRF) TDMA (Time Division Multiple Access) Accès Multiple à Répartition dans le temps (AMRT) CDMA (Code Division Multiple Access) Accès Multiple à Répartition en Code (AMRC) 34

Principe de base des réseaux cellulaires Gestion de la mobilité

• La mobilité des abonnés dans un réseau cellulaire a deux conséquences : Pour établir une communication, il faut savoir dans quelle cellule l'abonné se trouve. C'est la fonction de gestion de localisation. Il doit y avoir continuité de la communication lorsque l'abonné passe d'une cellule à une autre (transfert intercellulaire, communément appelé handover). • Si la mobilité d'un abonné s'étend à plusieurs pays, des accords de roaming doivent alors être passés entre les différents opérateurs pour que les communications d'un abonné étranger soient traitées et aboutissent.

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Principe de base des réseaux cellulaires Gestion de la mobilité Mobilité radio => micro-mobilité : Permettre a un abonne de changer de lien radio tout en maintenant sa communication avec le réseau Mobilité réseau => Macro-mobilité : Permettre a un abonne de bénéficier des services auxquels il a souscrit sur toute une zone de couverture

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Principe de base des réseaux cellulaires Gestion de la mobilité : Handover • Handover = mécanisme de sélection/resélection du lien radio. • Conséquences sur la QoS : interruption d’appel durée d’interruption imprédictible rejet d’appel •

Défis: Assurer le transfert de communication en cours entre les cellules. Maintenir une qualité de communication entre l’utilisateur mobile et le réseau a travers un changement de fréquence ou de cellule.

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Principe de base des réseaux cellulaires Gestion de la mobilité : Handover • Le Handover, Pourquoi? Permettre aux usagers de se déplacer en cours d’appel Eviter la rupture du lien Minimiser les interférences Optimiser l’utilisation des ressources radio Equilibrer la charge de trafic entre les cellules • Outils nécessaires: Contrôle de l'interface radio. Mesure de la qualité du lien descendant. Mesure du lien radio de la cellule courante et des cellules voisines (canal en cours et autres canaux). •

Deux mesures sont considérées: RxLev: Received Signal Level (mesurée en dB) RxQual: Received Signal Quality (mesurée en BER) 38

Principe de base des réseaux cellulaires Gestion de la mobilité : Handover
Processus de Handover: 1.

2.

3.

Prise de mesure et supervision du lien Pendant la communication : mesure et évaluation périodique du lien radio (Périodicité = 480 ms pour GSM) Décision Choix de la cellule cible et/ou un nouveau canal sur des critères de trafic: si ok : handover déclenché sinon : communication continue sur le même canal Exécution Après un hand over, l’ancien canal est libéré

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Principe de base des réseaux cellulaires Gestion de la mobilité : Handover
Type de Handover:

Le type du Handover est défini selon la procédure de son execution: Hard handover L’ancien lien est libéré avant l’établissement du nouveau lien avec la station de base cible Un seul canal radio à la fois Une interruption de la communication

Seamless handover L’ancien lien est libéré pendant l’établissement du nouveau lien avec la station de base cible La probabilité de coupure est donc minimisée La QoS est maintenue Inconvénient: consommation de ressources 40

Principe de base des réseaux cellulaires Gestion de la mobilité : Handover
Type de Handover:

Soft handover L’ancien lien est libéré après l’établissement du nouveau lien avec la BTS cible. Les 2 liens et les 2 canaux sont actifs simultanément pendant une courte durée. Meilleure qualité de service offerte à l’usager. Charge élevée au niveau réseau. Appliqué pour les systèmes CDMA et 3eme génération (UMTS).

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Principe de base des réseaux cellulaires Gestion de la mobilité : Handover Les critères d’évaluation du Handover: Le nombre de tentatives du hand over. Le nombre des handover (effectués). La probabilité d’échec. Les handovers ping-pong. La durée de déroulement du handover. La quantité des ressources consommée.

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Principe de base des réseaux cellulaires Gestion de la mobilité : Handover Contraintes temporelles du handover •

Phase de mesure: la période de mesure doit être inférieure à la durée de traversée d’une cellule. ⇒ fortes contraintes en environnement micro-cellulaires.

• Phase de décision: la durée de traitement des critères de décision/d’exécution du handover et choix de la cellule cible doit être minimale. ⇒ sinon réalisation trop tardive. • Phase d’exécution: l’exécution doit être suffisamment rapide afin de minimiser la probabilité de perte d’un lien et les dégradations de qualité dues au changement du lien.

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Propagation des ondes radio • •

•

La transmission dans les réseaux mobiles se fait par ondes radio. Dans un environnement réel, la transmission d’un signal ne se fait pas en empruntant uniquement un trajet direct entre l’émetteur et le récepteur (Existence des obstacles dans l’environnement de propagation). En se propageant, les ondes sont perturbées par plusieurs phénomènes :

• • • • •

Réflexion Réfraction Dispersion Diffusion Diffraction

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Propagation des ondes radio •

Le canal de propagation

Présence d’obstacles A la traversée d’un obstacle, l’onde peut subir les phénomènes suivants:

Réflexion:

lorsque l’obstacle est opaque

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Propagation des ondes radio •

Le canal de propagation



Réfraction: lorsque l’obstacle est transparent



Dispersion: lorsque l’obstacle est dispersif

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Propagation des ondes radio •

Le canal de propagation



Diffusion: l’onde atteint plusieurs récepteurs



Diffraction: l’onde peut contourner l’obstacle

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Propagation des ondes radio • L’obstacle absorbe une partie de la puissance de l’onde: Atténuation de la puissance. • Lorsque l’atténuation est grande, on parle d’évanouissement de l’onde. • A cause des réflexions, réfractions, dispersions, diffusions, et des diffractions l’onde est déviée de sa trajectoire initiale: ⇒ Absence du trajet direct.
Apparition de l’effet multi-trajets • Les obstacles peuvent être mobiles : réponse impulsionnelle du canal variable au cours du temps : ⇒ Canal fluctuant. • Le canal radio est ouvert: une infinité d’utilisateurs peuvent y avoir l’accès. ⇒ Présence d’interférences. Evaluation de la qualité de transmission : Rapport signal sur bruit: RSB= S/B S=puissance du signal utile B=puissance du bruit mesuré au récepteur 48

Propagation des ondes radio • Interference co-canal: utilisation de la même fréquence sur deux sites voisins ⇒ Un deuxième paramètre est pris en compte: les interferences. ⇒ Rapport signal sur bruit et interférences RSBI=S/(B+I) Du fait de l’existence d’une infinité d’interféreurs : B